錨固巖體力學特性試驗研究

付宏淵，蔣中明，李懷玉，曾鈴

(1. 長沙理工大學 土木與建筑學院，湖南 長沙，410004；2. 長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410004)

錨桿應用邊坡工程是一種有效的加固措施。但由于錨桿直接聯(lián)系的對象是復雜的巖土體，加之錨桿埋入巖土體中，給錨桿的力學行為及錨固作用效果的研究帶來了很大的困難。雖然近年來對巖土錨固效果評價方法的研究已取得很多進展，但是，具體選擇哪些評價參數(shù)，評價標準是什么，采用什么樣的評價方法，國內(nèi)外一直沒有公認的技術標準和規(guī)范。目前，研究成果主要還是在試驗及數(shù)值模擬研究上，研究成果還不夠系統(tǒng)和全面[1-3]。宋志飛等[4]以砂漿錨桿發(fā)生砂漿體-巖體界面破壞為背景，研究了砂漿體-混凝土基體的界面力學特性，計算出開裂面的表征參數(shù)。丁秀麗等[5]應用FLAC軟件，建立預應力錨固數(shù)值仿真模型，模擬研究了預應力錨索在張拉過程中巖體內(nèi)形成的表面壓縮區(qū)特征。程東幸等[6]采用3DEC方法研究了加錨節(jié)理巖體的力學特征，并對巖體結(jié)構(gòu)面進行了數(shù)值試驗分析。上述研究成果為深入探討錨固機制及錨桿的支護設計起到了積極的作用，但對錨固巖體力學特性的研究還不夠全面。在此，針對這一問題，本文作者試圖通過加錨巖體力學性能室內(nèi)相似模擬試驗，研究高邊坡巖體系統(tǒng)錨桿加固后其主要力學指標的各向異性程度、彈性模量E、抗壓強度σc的變化規(guī)律，以便為工程實踐提供參考。

1 巖體錨固效應試驗的相似模型設計

1.1 模型試驗相似理論

宇宙中萬物都是有聯(lián)系的，相似理論可以說是在這原理上產(chǎn)生的。任何物質(zhì)之間的反應都有其相似性，這種相似可以是運動形式的相似、存在狀態(tài)的相似，也可以是內(nèi)在的、外在的、本質(zhì)上、現(xiàn)象上的相似。相似理論由相似正定理、π定理和相似逆定理[7-10]構(gòu)成。

1.2 模型試驗相似比確定

本項研究以廣西隆林至百色高速公路巖體邊坡為研究對象。通過高邊坡巖石室內(nèi)單軸及三軸壓縮試驗成果的綜合分析，得到巖體的抗壓強度σp=12.2 MPa，彈性模量Ep=6.77 GPa，容重為22.0～25.0 kN/m3。

根據(jù)試驗條件，應用相似理論和參考文獻[11]中研究成果，得到長度相似比 CL=1/30，容重相似比Cγ=1。模型試驗的抗壓強度 σp=0.4 MPa，容重為22.0～25.0 kN/m3。

1.3 相似材料的選取

本試驗以重晶石粉、石膏粉、石英砂、一級松香以及純度為 99.9%的工業(yè)酒精作為原料。重晶石粉、石膏和石英砂作為模擬類巖的原料，重晶石粉、一級松香和純度為 99.9%的工業(yè)酒精作為模擬注漿體的原料。

選用楠竹作為錨桿的相似材料[11]。楠竹的主要力學參數(shù)為：彈性模量 E=8.10 GPa，拉應力 σt=102.05 MPa。然后，根據(jù)錨桿彈性模量和截面積等效換算，將錨桿的直徑定為 2 mm，錨桿預留孔的直徑定為3 mm。

2 巖體錨固效應的室內(nèi)試驗

2.1 試件制作

確定好配合比之后，按照試驗研究方案制作所需要的各種試件，包括完整試件、無錨試件以及各種加錨方式的加錨試件[12-15]。本試驗的主要步驟有以下幾點：(1) 稱質(zhì)量；(2) 攪拌；(3) 準備模具(本次試驗的模具自行設計，模具為長方體，長、高、寬分別為12，24和 12 cm)；(4) 填料；(5) 試件成型；(6) 拆模；(7) 第1次養(yǎng)護；(8) 加錨試件的注漿和加錨；(9) 第2次養(yǎng)護。

2.2 試驗加載模式

本試驗采用壓力機對試件進行單軸壓縮試驗，在垂直方向施加壓力，在加載過程中記錄加載荷載、應力、應變、位移等參數(shù)，并用數(shù)碼相機對試件在加載過程中破壞前后的形態(tài)拍照，以綜合評判試件加載全過程的強度變化和試樣變形。加載方式如圖1所示。

圖1 加載示意圖Fig.1 Load schematic diagram

2.3 試驗成果及分析

本文主要研究不同加錨試件在單軸壓縮條件下的力學性質(zhì)，如抗壓強度、彈性模量等的變化規(guī)律，以便為錨桿群的布設方案和參數(shù)設計提供依據(jù)。

為了更清楚地了解不同錨固方式對試件力學性能的影響，分別對完整無錨試件、各種不同加錨方式的試件進行單軸壓縮試驗。這里只針對部分試驗成果進行分析。

2.3.1 無錨試件的試驗結(jié)果分析

對無錨試件進行單軸壓縮試驗，得到的應力-應變曲線如圖 2所示。對 2組試件進行單軸壓縮試驗，得到的平均峰值抗壓強度為0.4 MPa。從圖2可以看出：完整無錨試件很快就進入了彈性變化階段。這說明試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密，內(nèi)部缺陷比較少，試件很快到達峰值強度；繼續(xù)加載后，試件的殘余強度下降得比較快。圖3所示為試件最終破壞時的形態(tài)。從圖3可見：無錨試件的破壞主要以劈裂破壞(拉破壞)為主。

圖2 無錨試件應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of specimen without anchor

圖3 無錨試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of specimen without anchor

2.3.2 垂直加錨(2根)試件的試驗結(jié)果分析

對垂直加錨(2根)試件進行單軸壓縮試驗，得到的應力-應變曲線如圖4所示。從圖4可見：在單軸壓縮試驗條件下，試件的峰值抗壓強度平均值為 0.55 MPa。應力-應變曲線表明加錨(2根)試件與無錨試件相比存在明顯的壓密段，說明此時錨桿起到了一定的作用；試件進入彈性變化階段后，隨著試件的變形，峰值強度明顯增加，錨桿的作用開始顯現(xiàn)，試件的峰值強度提高37%；到達峰值強度之后，試件的抗壓強度在一段時間內(nèi)下降得比較快，但在其強度下降到峰值強度的77%左右時，強度的下降趨勢變緩。說明試件變形開始變大時，錨桿發(fā)揮承載能力的作用開始增大，從而較大地發(fā)揮錨桿的錨固作用；隨著試件的繼續(xù)變形，錨桿與周圍介質(zhì)之間開始剝落或者注漿體開始破壞，試件的承載能力又開始出現(xiàn)大幅度下降。這種臺階式曲線從一定程度上說明了錨桿與其周圍介質(zhì)通過注漿層起作用的過程。

試件的最終破壞形態(tài)如圖5所示。從圖5可見：試件的破壞方式還是以劈裂破壞(拉破壞)為主，但在加錨兩面出現(xiàn)了明顯的剪切破壞的特征，這主要反映了錨桿的增韌止裂作用。

圖4 垂直加錨(2根)試件應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of vertical anchored (2 anchors)sample

圖5 垂直加錨(2根)試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of vertical anchored (2 anchors)specimen

2.3.3 水平加錨(2根)試件的試驗成果分析

對水平加錨(2根)試件進行單軸壓縮試驗，得到的應力-應變曲線如圖6所示。從圖6可見：在水平加錨(2根)條件下，試件的峰值抗壓強度平均值為 0.46 MPa；與無錨試件相比，其峰值強度提高15%，與垂直布錨(2根)相比，提高幅度較小；當試件進入彈性變化階段時，在達到峰值強度之后，承載能力迅速下降，隨后下降速度趨緩。

圖6 水平加錨(2根)試件應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of horizontal anchored (2 anchors)sample

3 錨桿對巖體強度和變形特性的影響

3.1 錨桿對巖體強度的影響分析

3.1.1 垂直加錨時不同加錨密度試件的抗壓強度分析

加錨方式如圖7所示。將這4種不同加錨密度的試件進行單軸壓縮試驗，繪出4種不同加錨密度試件和無錨試件的應力-應變曲線如圖8所示。

從圖8可以看出：垂直加錨試件與無錨試件相比峰值強度得到不同程度提高。峰值強度提高幅度見表1。從表1可見：無錨試件在達到峰值強度之后，其承載能力迅速下降，而加錨試件在達到峰值強度之后，承載能力下降不很明顯，且加錨密度越大，其下降幅度越小。由圖9所示的峰值強度與加錨數(shù)量的關系可以看出：對于垂直加錨試件，試件的峰值強度隨著加錨密度幾乎呈線性增長，表明這種加錨方式下錨桿密度的增加對提高試件的力學性能有明顯的作用。但隨著錨桿密度增加到一定程度后，峰值強度的提高速度比較緩慢，表明繼續(xù)增加錨桿密度，錨桿加固效應并不能更大程度地提高。

圖7 垂直加錨不同加錨密度Fig.7 Different densities of vertical anchor

圖8 不同垂直加錨與無錨試件應力-應變曲線Fig.8 Stress-strain curves of different vertical anchored specimens and no anchored specimens

表1 垂直加錨不同加錨密度峰值強度提高幅度Table 1 Raised degree table of peak strength of samples with different densities of vertical anchor

圖9 垂直加錨時峰值強度與加錨數(shù)量的關系Fig.9 Relationship between peak strength and amount of vertical anchors

3.1.2 水平加錨時不同加錨密度試件抗壓強度分析

加錨方式如圖 10所示，應力-應變曲線如圖 11所示。從圖11可見：水平加錨試件較無錨試件的峰值強度同樣得到了不同程度的提高，但其提高程度相對較小(見表2)。與垂直加錨一樣，水平加錨試件在達到峰值強度之后承載能力下降速率與無錨試件相比差別不大，但比垂直加錨試件的下降速率明顯加快，說明水平加錨的錨固效果沒有垂直加錨的錨固效果大。峰值強度與加錨數(shù)量的關系如圖12所示。從圖12可以看出：在水平加錨下，試件的峰值強度與錨桿數(shù)量關系也呈線性關系。

3.2 錨桿對巖體變形模量的影響分析

垂直加錨、水平加錨試件得到的各組彈性模量見表3。

圖10 水平加錨不同加錨密度Fig.10 Different densities of horizontal anchor

圖11 不同水平加錨與無錨試件應力-應變曲線圖Fig.11 Stress-strain curves of different horizontal anchored specimens and no anchored specimens

表2 水平加錨不同加錨密度峰值強度提高程度Table 2 Raised degree of peak strength of samples with different densities of horizontal anchor

從表3可知；垂直加錨和水平加錨試件的彈性模量隨著錨桿密度的增加而增加，但其增幅與抗壓強度的增幅相比有所減小。對于表3中的數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合出水平加錨和垂直加錨時試體彈性模量E與錨桿密度N的經(jīng)驗公式如下。

對水平加錨：E=4.9N+79.55；

對垂直加錨：E=6.97N+104.4。

式中：E的單位為MPa；N的單位為根/m2。

圖12 水平加錨時峰值強度與加錨數(shù)量關系Fig.12 Relationship between peak strength and amount of horizontal anchors

4 錨固巖體的各向異性力學特性分析

若取無錨試件的彈性模量為 1，則加錨試件的彈性模量如表4所示。

從表4可以看出：垂直加錨和水平加錨在相同的加錨密度以及相同的加載條件下，不同的錨桿布置方向表現(xiàn)出不同的變形特征。相對而言，垂直加錨時試件的彈性模量比水平加錨時的相應值要高16%～26%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：當錨桿垂直加錨時，錨桿的方向正好是加載方向，也就是試件所受的最大應力方向，同時也是試件最大變形的方向，此時，錨桿對提高試件的剛度作用發(fā)揮的程度高。在這種情況下，錨桿對提高試件抵抗變形能力最強。而當試件抵抗變形能力增強后，其力學性能也會呈比例上升。與其相對應，當水平加錨時，錨桿主要是約束巖體水平方向的變形，而水平方向的變形相對于垂直方向的變形小得多，因此，水平加錨的錨桿對提高試件主要變形方向上的作用不很明顯。故水平加錨時錨桿對彈性模量的提高要明顯小于垂直加錨時的相應值。

表3 垂直加錨和水平加錨試件的彈性模量Table 3 Elastic modulus of vertical anchored specimen and horizontal anchored specimen MPa

表4 有錨試件和無錨試件彈性模量之間的關系Table 4 Relationship between elastic modulus between anchored specimen and un-anchored specimen MPa

5 結(jié)論

(1) 垂直加錨試件與無錨試件相比，其峰值強度得到了較明顯提高。垂直加錨試件在達到峰值強度之后承載能力與無錨試件的承載能力相比下降不是很明顯。而水平加錨試件在達到峰值強度之后剛開始一段時間內(nèi)承載能力與無錨試件承載力變化一致，都下降得較為明顯，但之后則開始變緩。水平加錨試件承載能力下降速率與垂直加錨試件下降速度相比較快。說明錨固巖體承受垂直于錨桿方向的作用力明顯小于平行于錨桿布置方向的作用力。

(2) 垂直加錨試件和水平加錨試件在相同的加錨密度以及相同加載條件下，表現(xiàn)出明顯不同的強度及變形特征，垂直加錨試件的彈性模量比水平加錨試件的彈性模量要高16%～26%。表明錨固巖體具有明顯的各向異性特性。

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